Dr. Peter Kasper Fachgebiet Genetische Toxikologie

1. Swiss Association for Quality“Verunreinigungen in Arzneimitteln: Analytik & Toxikologie“14. Oktober 2004, Olten, Schweiz Dr. Peter Kasper Fachgebiet Genetische Toxikologie Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte, Bonn Qualifizierung von (genotoxischen) Verunreinigungen:Richtlinien und Vorgehen

2. Überblick • Qualifizierung nach ICH Q3A/B: ausreichende Detektierung genotoxischer Verunreinigungen? • EU Draft Guideline „Limits of Genotoxic Impurities“ Vorgehen zur Festlegung akzeptabler Limits • Threshold of Toxicological Concern:Ableitung und Anwendung • „Decision Tree“ für die Bewertung akzeptierter Limits

3. Eine vollständige Eliminierung oft nicht möglich! Nachweismethoden immer sensitiver! Potenziell genotoxische Verunreinigungen in Arzneimittel • Herstellungs-bedingt • Ausgangsstoffe(z.B. Verwendung v. Alkylantien oder ähnlich reaktiven Stoffen) • Zwischenprodukte, Nebenprodukte(z.B. aus Sulfonsäure/Alkohol-Interaktionen: EMS, MMS u.a.) • Katalysatoren(z.B. Platinoide) • Lagerungs-bedingt • Abbauprodukte

4. Schwellenwerte für die Verunreinigungen im Wirkstoff (ICH Q3A) • Festlegung von Verunreinigungs-Höchstgrenzen unter Berücksichtigung von klinischen & nicht-klinischen Sicherheitsdaten • aber: keine explizite Regelung für genotoxische Verunreinigungen;dadurch inkonsistente & kontroverse regulatorische Entscheidungen

5. Ist der gemäß ICH Q3A/B empfohlene Qualifizerunsprozess ausreichend geeignete die biologische Sicherheit von Verunreinigungen hinsichtlich Genotoxizität zu etablieren?

6. Qulification of Impurities: ICH Q3A/B • Qualification is the process of acquiring and evaluating data that establishes the biological safety of an impurity..... • The level of any impurity present in a DS/DP that has been adequately tested in safety studies would be considered qualified. • If data are unavailable to qualify additional safety testing should be considered (e.g. gentox -> “Decision Tree“ ICH Q3A/B) • Such studies can be conducted on the DS/DP containing the impurities to be controlled, although studies using isolated impurities can sometimes be appropriate.

7. Power of DS batch testing for detection of genotoxic impurities is limited Examples: Ethyl methane sulfonate (EMS) Methyl methane sulfonate (MMS) LOEC for EMS (MMS) in Ames test is 1500 (15) µg/plate, therefore only detected at 30% (0.3%) of drug substance (max. concentration in Ames test is 5000 µg/plate) Standard genotoxicity testing of drug substance very unlikely to detect genotoxic impurities when content is < 1500 ppm (0.15%)

8. How to pick up genotoxic impurities present at low levels in DS? • only realistic approach:prediction of chemicals of concern by expert assessment of synthesis scheme, i.e.chemical reactions & conditions/chemicals involved • suspicious chemicals should be tested (Q3A: “lower thresholds for qualification...appropriate...based on level of concern“) • safety data generated under existing regulations (workplace safety, chemical notification etc.)

9. Recommendations • when assessing genotoxicity of impurities do not rely on negative testing of DS batches (only) • consider possible causes for concern, e.g. • use of (DNA) reactive starting materials • SAR analysis reveals structural alerts • steps of synthesis known/suspected to result in genotoxic intermediates • if indicated, test isolated impurity

10. EU Draft Guideline on the Limits of Genotoxic Impurities Erarbeitung eines Guideline-Entwurfs durch Safety Working Party des CHMP (Committee for Human Medicines for Human Use) • 12/2002: Veröffentlichung des 1. Drafts durch European Medicine Agency (EMEA) • 2003/04: Kommentierung / Überarbeitung • 06/2004: Veröffentlichung d. 2. Drafts • Deadline für Kommentierung: Ende 2004

11. Warum eine Sonderbehandlung für genotoxische Verunreinigungen?Das „Schwellenwert-Dogma“! Draft EU Guideline on the Limits of Genotoxic Impurities: • “.... genotoxic compounds have the potential to damage DNA at any level of exposure and such damage may lead/contribute to tumor development.Thus for genotoxic carcinogens it is prudent to assume that • there is no discernable threshold and • that any level of exposure carries a risk.“

12. Berechnung d. “Permitted Daily Exposure“ (ICH Q3C): No Observed Effect Level (NOEL) aus geeigneter Tierstudie und “Uncertainty Factors“ NOEL (mg / kg) x human bodyweight (50 kg) PDE (mg/day) = F1 x F2 x F3 x F4 x F5 Ausnahmen vom “Dogma“ möglich • Verschiedene Mechanismen für genotoxische Substanzen, für die ein Schwellenwert angenommen wird • Interaction with mitotic spindle • Topoisomerase inhibition • Inhibition of DNA synthesis • Metabolic overload • Physiological disturbances (e.g. hypo- & hyperthermia)

13. 24 mg / kg x 50 kg PDE = = 1 mg/day 12 x 10 x 10 x 1 x 1 Limits für Verunreinigung in ppm im Arzneimittel bei unterschiedl. Tagesdosen: dose of drug 0.05 0.25 0.5 1.0 2.0 5.0 g/day impurity limit (20000) 4000 2000 1000 500 200 ppm Akzeptable Höchstgrenzen für genotoxische Verunreinigungen mit Wirkschwelle Beispielrechnung f. Aneugen • Spindelinhibitor, positiv im Maus-Mikrokerntest, NOEL = 24 mg/kg • F1 = 12 (scaling from mouse to human) • F2 = 10 (inter-individual variation) • F3 = 10 (short-term study) • F4 = 1 (threshold established, not severe) • F5 = 1 (NOEL determined)

14. Akzeptable Höchstgrenzen für genotoxische Verunreinigungen ohne Wirkschwelle? • Bestimmendes Prinzip:As Low As Reasonably Practicable! (“ALARP principle“) • Rechtfertigung der Herstellungsstrategie: Kann Verunreinigung durch Veränderung der Wirkstoff-Synthese vermieden werden? • Evaluierung der Anstrengungen zur best möglichen Reduzierung • Toxikologische Bewertung akzeptabler Höchstmengen basiert auf dem Konzept des „Acceptable Risks“ • Methoden richten sich nach Quantität & Qualität d. verfügbaren Daten

15. Akzeptable Höchstgrenzen für genotoxische Verunreinigungen ohne Wirkschwelle? • Daten aus Kanzerogenitätsstudien vorhanden:Extrapolation aus dem Hochdosisbereich des Tierversuchs in den Bereich des für den Menschen “hinnehmbaren Risikos“ • 1 zusätzlicher Krebstodesfall bei 1.000.000 lebenslang exponierten Personen: “virtually safe dose“ • für Arzneimittel akzeptiert: 10-5 lifetime excess risk of cancer • Daten aus Kanzerogenitätsstudien nicht vorhanden: • für Verunreinigungen i.d.R. nur In-vitro-Gentoxdaten / SAR • Berechnung sog. „Safety Multiples“ nicht akzeptabel(Gentoxdaten für hazard IDnichtrisk assessment!) • Substanz(daten)-spezifische Ableitung akzeptaler Limits unmöglich

16. Threshold of Toxicological Concern (TTC) • Allgemein gültiger Schwellenwert für eine tägliche Aufnahmemenge (auch für Chemikalien unbekannter Toxizität), unterhalb dessen ein signifikantes Risiko für die menschliche Gesundheit praktisch nicht gegeben ist. • Ursprünglich von FDA entwickelt (“Threshold of Regulation“) as a level “low enough to ensure that public health is protected, even in the event that a substance exempted from regulation as a food additive is later found to be carcinogenic.“

17. Threshold of Toxicological Concern (TTC) • Herleitung basiert auf einer Analyse der Wirkstärke von über 700 chemischen Kanzerogenen der carcinogenic potency database von Gold et al. • Abschätzung eines Schwellenwertes, der mit ausreichend großer Wahrscheinlichkeit das Lebenszeit-Krebsrisiko von 1x10-6 nicht übersteigt: 1.5 µg/Person/Tag (= keine Sicherheitsbedenken!) • in der Datenbank sind genotoxische und nicht-genotoxische Kanzerogene berücksichtigt!

18. Cancer Potency Data Base (CPDB)(http://potency.berkeley.edu/cpdb.html) • enthält Daten aus 5733 Experimenten mit 1364 Substanzen(alle Bioassays d. NCI/NTP & valide publ. Daten) • > 700 (Nager-) Kanzerogene • TD50 als standardisiertes Maß für die kanzerogene Wirkstärke (carcinogenic potency) • TD50 -Werte d. DB variieren um Faktor 107!

19. http://potency.berkeley.edu/cpdb.htm

20. Lineare Extrapolation ausdem Hochdosisbereich (TD50) des Tierversuchsin den Bereich des für den Menschen “hinnehmbaren Risikos“ 1 TD50 aus Nagerlangzeitstudie bestimmt 0.5 • rein formales Vorgehen; keine Berücksichtigung von biologischen Aspekten • sehr konservatives Vorgehen (i. d. meisten Fällen erhebliche Überschätzung des Risikos) • Abschätzung “auf der sicheren Seite“ 10-1 10-2 Risikohöhe (Krebs) 10-3 10-4 10-5 1 zusätzlicher Krebstodesfall bei 1 Mio. exponierten Patienten 10-6 0.1 1.0 10 100 1000 10000 tägliche Aufnahmemenge (µg/day)

21. Gold et al. Carcinogens TD50s Gold et al. Carcinogens Shifted to 1 x10-6 Risk 1,5 µg/day 1 1 2 2 Relative Probability Density -log10 Dose - mg/kg bodyweight/day Distribution of TD50s for 343 rodent carcinogens from Gold et al. (1984) CPD and distri- bution of 1 x 10-6 risks calculated by linear extrapolation from the TD50s (modified from Rulis 1989 & Munro et al. 1999) From TD50s distribution to 1x10-6 Risk distribution

22. Gold et al. potency data base = repräsentativ für “alle“ Kanzerogene Erweiterung der CPDB erbrachte keine Veränderung der Potency distribution curve! • Rulis 1986/1989: 343 carcinogens • Munro 1990: 492 carcinogens • Cheeseman et al. 1999: 709 carcinogens • Kroes et al. 2004: 730 carcinogens

23. Percentage of chemicals presumed carcinogenic Threshold value (µg/day 100% 50% 20% 10% 100% 50% 20% 10% 10-5 Target risk 10-6 Target risk 96 94 91 86 80 74 86 80 74 63 55 46 98 97 96 93 90 87 99 99 98 97 96 95 93 90 87 82 77 73 97 96 95 93 91 89 0.15 0.3 0.6 1.5 3 6 >99 99 99 99 98 97 99 98 97 96 95 95 CHMP risk management decision: A 90% probabilty of not exceeding a 10-5 lifetime cancer risk is a sufficient safety level Probability of a target risk not being exceededat various threshold values (modified from Munro 1999)

24. Aflatoxin-like compounds Aromatic amines Aromatic nitrates Azo compounds Azoxy compounds Benzidine derivatives Carbamates Heavy metal containing comp. Highly chlorinated comp. Hydrazines Miscellaneous ashby alerts @-Nitro Furyl Comp. N-Nitroso Compounds Organophosphorus comp. Steroids Strained rings Tetrahalogenated dibenzodioxins and dibenzofurans (2,3,7,8) Vinyl containing compounds = 1.5 µg/day for 1 x 10-5 risk “Cohort of Concern“: significant group number with a risk > 10-6 risk Recent evaluation by ILSI Europe (Kroes et al. 2004) Numbers and fractions of compounds in different structural groups that are estimated to give a risk greater than one in a million at different intake levels

25. Anwendung eines angemessenen TTC-Wertes für genotoxische Verunreinigungen in Arzneistoffen • “alle“ Substanzen & 10-6Cancer lifetime risk TTC von 1.5 µg/Tag • genotoxische Substanzen & 10-6Cancer lifetime risk TTC von 0.15 µg/Tag (Grundlage: Evaluation durch ILSI Europe Task Group, Kroes et al. 2004) • genotoxische Verunreinigungen in AM & 10-5Cancer lifetime risk TTC von 1.5 µg/Tag

26. 1.5 µg Limit of Impurity [ppm] = Daily Dose of Drug [g] Analytical control: readily achievable 10 ppm technically challenging 1 ppm impractical? 0.1 ppm TTC translated into ppm impurity in drug 1000 100 Limit of Impurity [ppm] 10 1 0.1 0.05 0.15 1.5 0.005 5 0.5 Daily Dose of Drug [g]

27. TTC > 1.5 µg/Tag möglich(plausible Begründung erforderlich) • Behandlungs- (Expositions-)dauer < 30 Tage • Indikation (banal vs. lebensbedr. / Alternativen?) • Patientenpopulation • Toxizität d. Verunreinigung in Relation zur aktiven Substanz • andere Pfade mit deutlich höherer Exposition (z.B. Nahrung) bekannt

28. TTC-Konzept als praktisches, aber beschränktes Hilfsmittel zur Festlegung hinnehmbarer Risiken • TTC-Wert (1,5 µg/Tag) suggeriert Präzision, die er nicht besitzt!! • Begriff “TTC“ missverständlich: Überschreitung des Wertes bedeutet nicht zwangsläufig “Level of Concern“ • Probabilistischer Ansatz: TTC definiert kein “Nullrisiko“

29. Vorteile für die Anwendung des TTC-Konzeptes • kann ohne (toxikologische) Daten angewendet werden • wissenschaftlich aus großer Datenbasis abgeleiteter Schwellenwert (im Gegensatz zur eher willkürlichen Festlegung von UFs) • konservativer Ansatz mit niedrigen ppm-Werten (Akzeptanz!) • gewährleistet ein konsistenteres Vorgehen in der Kontrolle genotoxischer Verunreinigungen (verglichen mit bisherigercase-by-case-Festlegung v. Grenzwerten) • bereits akzeptiert für andere regulatorische Zwecke (aber nicht explizit für genotoxische Substanzen)

30. No further action Yes Calculate PDE* (NOEL/UF* analysis): Safe exposure? Yes No No Reduce to safe level Use alternative w/o genotoxic impurity Presence of genotoxic impurity unavoidable? No Yes Reduce to as low as reasonable level Level as low as reasonably practicable? No Yes Does estimated intake exceed TTC* of 1.5 µg/day? No Negligible risk1) Yes Intake level >1.5 µg/day acceptable? 2) Yes Restrict or reject applied use Negligible/ acceptable risk No Genotoxic impurity: Evidence from in vivo and/or in vitro studies Decision Tree for Assessment of Acceptability of Genotoxic Impurities Sufficient evidence for threshold-related mechanism of genotoxicity? EU Guideline on the Limits of Genotoxic Impurities CPMP/SWP/5199/02